以流域為單元的地下水資源動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究

（山東省青島市水文局黃島分局，266400，青島）

一、地下水資源監(jiān)測現(xiàn)狀及存在問題

1.地下水資源監(jiān)測現(xiàn)狀

我國地下水監(jiān)測早在1950年就開始進行研究。早期由于受條件的限制，大多數(shù)監(jiān)測工作都是以人工觀測為主。人工監(jiān)測方式既費時又費力，并且受環(huán)境等因素的影響造成人為誤差大，部分監(jiān)測資料可靠性得不到保證，監(jiān)測數(shù)據(jù)不能及時處理形成成果，難以滿足抗旱、排澇、水資源管理以及生態(tài)環(huán)境保護等工作對地下水資源信息的需求。20世紀70年代以來，我國開始致力于研究地下水動態(tài)遙測技術(shù)和設備，多種地下水動態(tài)監(jiān)測儀器先后被開發(fā)并廣泛應用。近年，國內(nèi)對地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)的研究進展很大，但多集中在終端監(jiān)測儀器研制和地下水動態(tài)數(shù)據(jù)的實時記錄等方面，對結(jié)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、建立區(qū)域地下水滲流場及地下水動態(tài)的預測分析等方面尚缺乏系統(tǒng)研究；同時，在系統(tǒng)的穩(wěn)定性和研究手段等方面與國外仍有一定差距。

自2009年起，山東省青島市黃島水文部門致力于地下水遙測站網(wǎng)建設和地下水資源動態(tài)評價系統(tǒng)研究，先后在全區(qū)范圍內(nèi)布設34個淺層地下水水位監(jiān)測井、2個深層地下水水位監(jiān)測井、10個海水入侵監(jiān)測井，初步建成了一定規(guī)模、布局較為合理的地下水水位、海水入侵監(jiān)測站網(wǎng)，實現(xiàn)了地下水水位、海水入侵監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集、傳輸、處理。幾年來，積累了大量實測地下水資料，每月編制《地下水動態(tài)監(jiān)測報告》，為地下水資源評價、開發(fā)利用、保護和管理提供了依據(jù)。

2.存在問題

①現(xiàn)有地下水水位監(jiān)測站網(wǎng)覆蓋面積太大，密度不夠，特別是對于主要地下水水源地，監(jiān)測站網(wǎng)已經(jīng)滿足不了控制地下水漏斗邊界、準確描繪地下水流場的狀態(tài)、進行地下水水位動態(tài)分析等工作的需要。

②缺少詳細的水文地質(zhì)資料，無法建立地下水數(shù)值模型，無法模擬地下水運動的狀態(tài)，也不能顯示地下水滲流場的總體狀態(tài)及變化趨勢。

③現(xiàn)有地下水監(jiān)測站網(wǎng)和信息系統(tǒng)以行政區(qū)劃為單元，與地下水補給、賦存、運動規(guī)律不相符，難以滿足準確評價地下水資源存儲量和預測地下水發(fā)展動態(tài)的要求。

二、以流域為單元的地下水資源監(jiān)測系統(tǒng)

黃島區(qū)屬低山濱海丘陵地區(qū)，獨特的自然地理條件和復雜的水文水資源特點，決定了區(qū)域地下水資源問題的復雜性。為了提升區(qū)域地下水資源監(jiān)測能力，青島市水文局黃島分局適時調(diào)整地下水監(jiān)測站網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，由全區(qū)域分散建設轉(zhuǎn)向按流域重點監(jiān)測，以流域為單元建設流域地下水資源動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。風河流域是黃島區(qū)水資源較為豐富的區(qū)域，其下游地下水水源地是城區(qū)主要的供水水源之一。2012年，黃島水文局開始研究以流域為單元的地下水資源動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，建設風河流域地下水資源動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

1.流域地下水監(jiān)測站網(wǎng)建設目的

①監(jiān)測地下水水位的時空變化，監(jiān)測人類活動及環(huán)境變化對地下水的影響，收集一系列地下水資源信息。

②深入分析流域地下水流動、變化規(guī)律和地表水與地下水之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，開發(fā)和建設流域地下水資源實時監(jiān)測系統(tǒng)，為流域內(nèi)水資源規(guī)劃、管理提供信息，確保流域水資源的合理開發(fā)和高效利用，有力地支持經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

2.流域地下水監(jiān)測站網(wǎng)布設原則

①在總體和宏觀上應能控制整個水文地質(zhì)單元，需能反映所在區(qū)域地下水系的環(huán)境質(zhì)量狀況和地下水質(zhì)量空間變化。

②監(jiān)測重點為第四系潛水的含水層。

③能反映地下水補給源和地下水與地表水的水力聯(lián)系。

④重點監(jiān)控主要地下水開采區(qū)域、地下水水位下降的漏斗區(qū)、地面沉降以及本區(qū)域的特殊水文地質(zhì)問題，盡可能以最少的監(jiān)測點獲取足夠有代表性的環(huán)境信息。

⑤考慮監(jiān)測結(jié)果的代表性和實際采樣的可行性、方便性，盡可能選擇在靠近村鎮(zhèn)、地下水較為豐富的地段選擇布設觀測點。

⑥觀測點網(wǎng)一旦確定，不能輕易變動，盡量保持單井地下水監(jiān)測工作的連續(xù)性。

3.風河流域地下水監(jiān)測站網(wǎng)建設

根據(jù)區(qū)域水文、地質(zhì)資料，按照均勻布井的原則，垂直于河流布置，線距3 000 m，孔距2 000 m，沿河流兩岸均勻布置。在風河下游地下水水源地范圍根據(jù)實際情況加密站點，線距約為1 500 m左右。在風河流域原有17個監(jiān)測井的基礎上，新布置觀測井23個，分布在風河及其支流沿岸。風河流域第四系厚度一般為2～20 m，測井深度大約為4～20 m。

4.基于GMS軟件的流域地下水資源的三維動態(tài)監(jiān)測模型

（1）GMS軟件介紹

GMS（Groundwater Modeling System）是由美國Brigham Young大學環(huán)境模擬研究實驗室（Environmental Modeling Research Laboratory）開發(fā)的先進的、基于概念模型的地下水環(huán)境模擬軟件。由于GMS是很好的基于Windows平臺的軟件，具有良好的使用界面，強大的前處理、后處理功能及優(yōu)良的三維可視效果，目前已成為國際上最受歡迎的地下水模擬軟件。

（2）風河流域地下水資源三維動態(tài)監(jiān)測模型的建立

①數(shù)據(jù)整理。風河流域地下水為第四系松散巖類孔隙潛水，通過地質(zhì)調(diào)查確定風河流域內(nèi)第四系范圍并搜集整理第四系的地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，尤其是觀測井的編錄資料，對每一個觀測井揭露的第四系巖層進行巖性劃分，建立觀測井巖性分層表，并繪制模型邊界。

②生成觀測井模型。按GMS軟件的要求和格式對數(shù)據(jù)分析整理后導入，導入時設定觀測井名稱、坐標，導入觀測井巖性分層數(shù)據(jù)后生成觀測井模型，并在GMS軟件中調(diào)整觀測井模型的顯示比例，變換GMS軟件觀察角度并對觀測井進行標注。

③生成三維地層模型。導入用AutoCAD繪制的dwg格式的第四系邊界文件，生成第四系模型邊界，建立平面三角網(wǎng)格圖，然后通過已經(jīng)導入的觀測井巖性分層數(shù)據(jù)自動生成各巖性實體，從而建立完整的三維地層結(jié)構(gòu)模型。

④置入地下水水體模型并覆蓋衛(wèi)星地形圖。三維地層模型建立以后，從模型上可以很清楚地看出風河流域第四系范圍內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)組合關(guān)系，為了在地層結(jié)構(gòu)模型上顯示出水體的信息，在地層模型的基礎上建立了地下水水體模型，以顯示地下水的埋深、厚度等信息。帶花紋的層表示的是飽和帶，顯示水體在地層中的位置、水位面的位置以及水體的厚度。為了便于弄清切割處的位置，在三維地層體上覆蓋地形圖，從而可以在地層切割的時候有針對性地選擇切割位置，準確了解某個地方的地層和水體結(jié)構(gòu)。

⑤地下水位警戒線在三維模型中的顯示。根據(jù)《山東省地下水位警戒線劃定技術(shù)大綱》確定4條參考線：基準水位、黃色、橙色和紅色警戒水位。以地下水在開采過程中生態(tài)環(huán)境不遭受破壞的最低水位為劃定地下水位警戒線的基準水位；黃色、橙色和紅色警戒水位是為保障供水安全和保護生態(tài)環(huán)境設定的預警水位線?！包S色”為最輕警戒級別；“橙色”為較高警戒級別；“紅色”為最高警戒級別。根據(jù)計算出不同觀測井的不同警戒線的標高，把計算數(shù)據(jù)導入三維結(jié)構(gòu)模型中生成警戒線。

5.流域地下水資源動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應用軟件

系統(tǒng)架構(gòu)于微軟.NET Frame-Work3.5之上，采用B/S模式。服務器端需安裝.Net3.5+框架、IIS6.0+、SuperMap IS.NET 6R以及SQL Server數(shù)據(jù)庫，客戶端需要網(wǎng)頁瀏覽器即可，兼容主流瀏覽器。

針對風河流域地下水資源動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，軟件共分為8個系統(tǒng)模塊，分別為地圖查詢、等值面分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、歷史數(shù)據(jù)、存儲量分析、三維顯示、預測預報和系統(tǒng)管理。其中，預測預報模塊設計為讓用戶輸入各個站點的預測降雨量和預測蒸發(fā)量，然后點擊預測按鈕進行預測下旬、下月、下年地下水水位。整個系統(tǒng)的用戶分為游客和管理員兩個身份。游客對地圖查詢、等值面分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、歷史數(shù)據(jù)4個模塊具有查詢權(quán)限，管理員對系統(tǒng)的8個模塊都具有查詢、編輯和修改的權(quán)限。

三、結(jié) 語

沿海地區(qū)地下水資源開發(fā)利用相對敏感，不合理的開發(fā)利用容易導致地下水水位下降、水源枯竭、海水倒灌、地下水水質(zhì)惡化等嚴重后果，嚴重影響人們的生存環(huán)境，給人們的生產(chǎn)和生活造成巨大的損失。以流域為單元的風河流域地下水資源動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在查明區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、對地下水資源實行實時監(jiān)測的基礎上，建立流域地下水資源動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和三維動態(tài)監(jiān)測模型，準確顯示地下水在流域內(nèi)任意位置的空間分布及當前賦存情況，實現(xiàn)對地下水資源賦存及變化趨勢的預測預報，極大地提高了地下水資源信息的科學性、準確性和直觀性，實現(xiàn)了區(qū)域地下水資源由定性分析向定量判斷的轉(zhuǎn)變，將為加強水資源管理、切實保護和合理開發(fā)利用地下水資源提供詳實的信息支持，為政府部門決策提供有力的科學依據(jù)。